復(fù)旦大學(xué)酶學(xué)課件

酶學(xué)

Enzymology--研究酶的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和作用原理、作用規(guī)律、生物學(xué)功能、酶工程學(xué)以及酶應(yīng)用的科學(xué)。1酶學(xué)

Enzymology--研究酶的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和作用原生命的兩個基本條件生命有機(jī)體必須能夠復(fù)制自身；有機(jī)體必須能夠有效和選擇性地催化化學(xué)反應(yīng)。2生命的兩個基本條件生命有機(jī)體必須能夠復(fù)制自身；2酶是生物催化劑(Catalyst)

生物無論多少復(fù)雜、多樣，都需要酶（enzyme)。酶和生命活動密切相關(guān)，幾乎參加了所有的生命活動和生命過程。 催化劑是一類能改變化學(xué)反應(yīng)速度但不改變反應(yīng)性質(zhì)、方向、平衡點(diǎn)的物質(zhì)，在反應(yīng)前后自身不發(fā)生化學(xué)變化。3酶是生物催化劑(Catalyst) 生物無論多少復(fù)雜、多樣，酶的生物學(xué)功能

新陳代謝 糖、脂、蛋白質(zhì)、核酸等生物合成和降解代謝及其代謝調(diào)節(jié)。分子生物學(xué)的“鑰匙”（工具酶） 限制性內(nèi)切酶、連接酶、聚合酶、反轉(zhuǎn)錄酶、核酸酶、磷酸酯酶等。廣泛的生物學(xué)意義

細(xì)胞生長、分化及凋亡、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、神經(jīng)活動、肌肉收縮、腫瘤發(fā)生等。4酶的生物學(xué)功能新陳代謝4酶

Enzyme希臘語原意:

inyeast生命體內(nèi)催化化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)細(xì)胞中大部分球蛋白為酶

酶是由生物活細(xì)胞產(chǎn)生的，能在體內(nèi)體外起同樣催化作用的一類具有活性中心和特殊構(gòu)象的生物大分子，酶是生物催化劑。5酶Enzyme希臘語原意:inye化學(xué)反應(yīng)的活化能

一個化學(xué)反應(yīng)中，開始時，反應(yīng)物（S）的平均能量水平較低（初態(tài)，initialstate)（A），在反應(yīng)的任何一刻，反應(yīng)物中都有一部分分子具有比初態(tài)更高一些的能量，高出的這部分能量為活化能（activationenergy)，使這些分子進(jìn)入過渡態(tài)（transitionstate)，即活化態(tài)（A*)，這時就能形成或打破一些化學(xué)鍵，形成新的物質(zhì)--產(chǎn)物(P）。這些具有較高能量、處于活化態(tài)的分子為活化分子，反應(yīng)物中這種分子愈多，反應(yīng)速度就愈快。活化能就是在一定溫度下1mol底物全部進(jìn)入活化態(tài)所需要的自由能（J/mol）。6化學(xué)反應(yīng)的活化能一個化學(xué)反應(yīng)中，開始時，反應(yīng)物（S）77酶能降低反應(yīng)的活化能

酶及其他催化劑一樣，能降低化學(xué)反應(yīng)的活化能。催化反應(yīng)中只需較少的能量就可使反應(yīng)物進(jìn)入“活化態(tài)”，及非催化反應(yīng)比，活化分子的數(shù)量大大增加，加快了反應(yīng)速度。如H2O2的分解，沒有催化劑時的活化能為75.24kJ/mol，用膠態(tài)鈀作催化劑，活化能只需48.9kJ/mol；而過氧化氫酶催化時，活化能下降到8.36kJ/mol以下。 酶作為催化劑參加一次化學(xué)反應(yīng)后立即恢復(fù)到原來狀態(tài)，繼續(xù)催化反應(yīng)。8酶能降低反應(yīng)的活化能 酶及其他催化劑一樣，能降低化學(xué)反應(yīng)的活酶為什么能催化生化反應(yīng)9酶為什么能催化生化反應(yīng)9酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)1、酶溶液是高分子膠體，而且是兩性電解質(zhì)，在電場中可發(fā)生泳動，活性-pH曲線及兩性離子的解離曲線相似。2、導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性的因素往往也能使酶變性。3、通常能被蛋白水解酶水解喪失活性。4、高度純化的酶的化學(xué)組成表現(xiàn)為蛋白質(zhì)。5、根據(jù)RNase的一級結(jié)構(gòu)，從氨基酸合成了有相同催化活性的蛋白質(zhì)產(chǎn)物。10酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)1、酶溶液是高分子膠體，而且是兩性電解質(zhì)有些酶不是蛋白質(zhì)

上世紀(jì)70-80年代，發(fā)現(xiàn)核糖核酸酶P等酶，除蛋白質(zhì)外還包含RNA（對RNaseP，RNA占77%），且后者在催化過程起著不可或缺的作用。Altman發(fā)現(xiàn)該酶可耐受胰蛋白酶的作用，但

RNaseA處理失去活性；將蛋白質(zhì)及RNA分開后，單獨(dú)都不表現(xiàn)RNaseP活性；重組后恢復(fù)活性。

Cech在研究rRNA加工中發(fā)現(xiàn)rRNA前體本身就具有催化能力。之后，Altman和Pace兩家實(shí)驗(yàn)室同時證明RNA的催化能力-核酶（Ribozyme）。Cech和Altman因此獲1989諾貝爾獎。其后，還有大量RNA催化劑的報道，甚至還有DNA催化劑及糖催化劑的報道。但這些并不否定“酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)”的結(jié)論。11有些酶不是蛋白質(zhì)上世紀(jì)70-80年代，發(fā)現(xiàn)核糖核酸酶P酶作為生物催化劑1、所有的酶都是由生物體產(chǎn)生的，幾乎所有的生物包括病毒都能編碼和合成酶。2、酶及生命活動密切相關(guān)（1）酶參及了生物體內(nèi)所有的生命活動和生命過程。（執(zhí)行具體生理機(jī)能；清除有害物質(zhì)；協(xié)同激素等生理活性物質(zhì)在體內(nèi)發(fā)揮信號轉(zhuǎn)換、傳遞和放大作用，調(diào)節(jié)生理過程和生命活動；催化代謝反應(yīng)）。（2）酶的組成和分布是生物進(jìn)化及組織功能分化的基礎(chǔ)。（3）酶能在多種水平上進(jìn)行調(diào)節(jié)以適應(yīng)各種生命活動的需要。12酶作為生物催化劑1、所有的酶都是由生物體產(chǎn)生的，幾乎所有的生酶的特點(diǎn)酶具有一般催化劑的特點(diǎn)，如加快反應(yīng)速度、反應(yīng)前后無變化、不改變反應(yīng)的平衡點(diǎn)。酶還具有自身的特點(diǎn)：1、催化效率高：比非催化反應(yīng)高108-1020，比其他催化反應(yīng)高107-1013。2、酶活性受環(huán)境變化的影響，易失活。3、生物體內(nèi)，酶活性受到其他因素的調(diào)節(jié)和控制。4、酶的催化作用具有高度專一性：結(jié)構(gòu)專一性（絕對專一性和相對專一性）和立體異構(gòu)專一性。13酶的特點(diǎn)酶具有一般催化劑的特點(diǎn)，如加快反應(yīng)速度、反應(yīng)前后無變研究簡史14研究簡史14

生物化學(xué)的研究史多數(shù)是酶研究的歷史。對生化催化劑的認(rèn)識始于1700s的后期對于胃分泌物對肉的消化；1800s繼續(xù)于唾液對淀粉轉(zhuǎn)化為糖的研究；1857，LouisPasteur總結(jié)酵母發(fā)酵糖為酒精由“酵素”催化（但不能從活的機(jī)體分離—活機(jī)論、生機(jī)說）；1897，EduardBuchner發(fā)現(xiàn)酵母抽提物可以發(fā)酵糖為乙醇，確定催化由分子執(zhí)行，并能由細(xì)胞分離。FrederickW.Kühne稱這些分子為酶，活力論學(xué)說倒臺；1913，米氏方程建立。

1926，JamesSumner分離和結(jié)晶了脲酶，成為早期酶研究的重大突破—酶分子是蛋白質(zhì)（所有酶都是蛋白質(zhì)）；1930s，很多蛋白酶被結(jié)晶，Sumner的結(jié)論被廣泛接受。至今已鑒定的酶超過三千種以上。15生物化學(xué)的研究史多數(shù)是酶研究的歷史。對生化催化劑的認(rèn)識

一般認(rèn)為，酶學(xué)研究開始于1897年Buchner兄弟的發(fā)現(xiàn)，表明酶能以溶解的和活性的狀態(tài)從細(xì)胞中分離，推動了酶分離、酶理化性質(zhì)、生命過程及酶關(guān)系的研究。其后沿著兩個方向發(fā)展，一是以Takamine等開始的酶的應(yīng)用研究，采用各種分離純化技術(shù)制備了不同的酶制劑，發(fā)展了固定化酶技術(shù)，建立了多種類型的酶反應(yīng)器。16一般認(rèn)為，酶學(xué)研究開始于1897年Buchner兄弟

二是從事酶的理論研究，側(cè)重于酶的理化性質(zhì)及催化性質(zhì)的研究。Summer和Northrop開辟了酶的分離純化道路；Sanger、Moore和Stein等建立了酶一級結(jié)構(gòu)測定方法；Kendrew等發(fā)展了X-衍射晶體分析方法，用于結(jié)構(gòu)及功能的研究；Michaelis和Menten等為酶反應(yīng)的動力學(xué)打下堅實(shí)基礎(chǔ)；Fischer和Koshland提出了酶作用的鎖及鑰匙學(xué)說及誘導(dǎo)契合學(xué)說。還有許多則側(cè)重于酶的生物學(xué)研究，如Hill和Meyerhof等確立了糖酵解系統(tǒng)；Krebs等建立了三羧酸循環(huán)；Jacob等提出了酶合成的操縱調(diào)節(jié)機(jī)制；Temin和Baltimore發(fā)現(xiàn)了反轉(zhuǎn)錄酶；Arber等的限制性內(nèi)切核酸酶等等。17 二是從事酶的理論研究，側(cè)重于酶的理化性質(zhì)及催化性質(zhì)的研究?，F(xiàn)代酶學(xué)的發(fā)展方向

現(xiàn)代酶學(xué)沿著兩個方向發(fā)展：酶的分子生物學(xué)和酶工程（學(xué)）。酶分子生物學(xué)的任務(wù)是深入揭示酶的結(jié)構(gòu)及功能的關(guān)系、酶的催化機(jī)制及調(diào)節(jié)機(jī)制、酶與生命活動的關(guān)系、進(jìn)一步設(shè)計和改造酶、在基因水平進(jìn)行酶的調(diào)節(jié)和控制。

酶工程（學(xué)）的任務(wù)是要解決如何更經(jīng)濟(jì)有效地進(jìn)行酶的生產(chǎn)、制備和應(yīng)用。將基因工程、分子生物學(xué)成果用于酶的生產(chǎn)。進(jìn)一步開發(fā)固定化酶技術(shù)和酶反應(yīng)器。18現(xiàn)代酶學(xué)的發(fā)展方向 現(xiàn)代酶學(xué)沿著兩個方向發(fā)展：酶的分子生物學(xué)1713年

Reaumur（法）胃液消化作用研究

1783年

Spallamzan發(fā)現(xiàn)鳥的胃液能消化肉1814年

Kirchhoff發(fā)現(xiàn)稀酸對淀粉的分解作用【麥芽抽提液加入淀粉后能生成麥芽糖,即麥芽抽提液中必定有能水解淀粉的水溶性物質(zhì)→ferment(酵素)】1826年

Mitscherlich提倡水溶性酵素為

"unorganizedferment"1830年

Kuhlne，首次使用Enzyme這一術(shù)語1833年

Payen&Persoz從麥芽抽提液得到了

ferment,稱diastase【溶于水、稀酸,但不溶于高濃度酒精,即現(xiàn)在的amylase】1835年

Berzelius提出ferment起的是催化作用酶學(xué)研究史1191713年Reaumur（法）胃液消化作用研究酶學(xué)研1857年

Pasteur認(rèn)為發(fā)酵分幾個階段進(jìn)行,每一步都有特定的酶參及,但酶只在活體細(xì)胞中才能起作用。1894年

Bertrand發(fā)現(xiàn)了水解酶以外的酶。1897年

Buchner兄弟以“沒有酵母的酒精發(fā)酵”證明了酶可以離開細(xì)胞起作用。1910年

Halden&Young發(fā)現(xiàn)酶是蛋白質(zhì)及耐熱性低分子量化合物(cofactor)的復(fù)合物,提出蛋白質(zhì)只是擔(dān)體。1913年

米氏方程建立。1926年

Sumner得到了Urease的結(jié)晶【12年后,Northrop結(jié)晶化了Pepsin,Trypsin等蛋白酶】結(jié)晶中測定不到cofactor。酶學(xué)研究史2201857年P(guān)asteur認(rèn)為發(fā)酵分幾個階段進(jìn)行,每一步1929年

Warburg發(fā)現(xiàn)呼吸鏈諸酶中的血紅素

【1935-1936年維生素及輔酶的關(guān)系的解明】1929年Sabbarow發(fā)現(xiàn)ATP【1939-1940年，F(xiàn).Lipmann解明高能磷酸化合物的生理意義】1959年SutherlandcAMP的發(fā)現(xiàn)-酶及激素的關(guān)系1970年Restrictionenzyme的發(fā)現(xiàn)-基因工程1982年ThomasR.Cech和SidneyAltman在研究RNA分子剪切機(jī)理時發(fā)現(xiàn)RNA分子也有催化能力。酶學(xué)研究史3211929年Warburg發(fā)現(xiàn)呼吸鏈諸酶中的血紅素酶學(xué)研究酶學(xué)研究諾貝爾獎獲得者1907Buchner,E.酵母無細(xì)胞提取液的酒精發(fā)酵作用1929Euler-Chelpin,H.&Harden,A.糖發(fā)酵及其有關(guān)酶1931Warburg,O.呼吸酶及其作用機(jī)制1946Northrop,J.,Stanley,W.,&Sumner,J.（脲）酶結(jié)晶1947Cori,C.,&Cori,G.糖原磷酸化酶1955Theorell,A.氧化酶1959Kornberg,A.DNA聚合酶1971SutherlandcAMP（腺苷酸環(huán)化酶，第二信使）1975Baltimore,D.,Dulbecco,R.,&Temin,H.逆轉(zhuǎn)錄酶1978Arber,W.,Nathans,D.&Smith,H.DNA限制性內(nèi)切酶1982(9)ThomasRCech&S.Altman

核酶的發(fā)現(xiàn)1992Fischer,E.,&Krebs,E糖原磷酸化酶可逆磷酸化1994Rodbell,M.,&Gilman,A.G蛋白22酶學(xué)研究諾貝爾獎獲得者1907Buchner,E.酶的分類23酶的分類23

全酶(holoenzyme)

||

酶蛋白（apoenzyme)+

輔助因子（cofactor)

cofactor

酶的結(jié)構(gòu)概念輔基

prostheticgroup輔酶

co-enzyme金屬離子(也可歸入輔基)結(jié)合力強(qiáng)24全酶(holo酶的分子組成單純蛋白酶

結(jié)合蛋白酶

決定催化

反應(yīng)的特異性

（選擇E催化的S）—酶蛋白+輔助因子有機(jī)小分子金屬離子（全酶）輔基輔酶（B族Vit）

決定催化反應(yīng)的類型（遞電子、氫或一些基團(tuán)）

輔基及輔酶：及酶蛋白共價結(jié)合，牢而不易分離（輔基）及酶蛋白非共價結(jié)合，疏松而易分離（輔酶）25酶的分子組成單純蛋白酶結(jié)合蛋白酶決定催化

反酶的輔助因子

包括金屬離子和有機(jī)化合物，本身無催化作用，除穩(wěn)定酶的構(gòu)象外，一般在酶促反應(yīng)中運(yùn)輸轉(zhuǎn)移電子、原子或某些功能基團(tuán)。有些蛋白質(zhì)也具有這種作用，被稱為蛋白輔酶。 及酶蛋白結(jié)合松馳的輔助因子，可以通過透析或超濾等除去，被稱為輔酶(cofactor或coenzyme)。 有一些輔助因子以共價的形式及酶蛋白牢固地結(jié)合在一起，不能通過透析或超濾除去，被稱為輔基(prostheticgroup)。26酶的輔助因子 包括金屬離子和有機(jī)化合物，本身無催化作用，除穩(wěn)單體酶、寡聚酶和多酶體系根據(jù)酶蛋白分子的特點(diǎn)將酶分為三類：單體酶(monomericenzyme)，只有一條多肽鏈，很少，一般是催化水解反應(yīng)的酶，如胰蛋白酶等。寡聚酶(oligomericenzyme)，分子量35000-幾百萬，由幾個甚至幾十個亞基組成，亞基一般無活性，可以相同也可以，亞基間非共價結(jié)合，容易分開，如3-磷酸甘油醛脫氫酶。多酶體系(multienzymesystem)，由幾種酶彼此嵌合形成的復(fù)合體，有利于一系列反應(yīng)的連續(xù)進(jìn)行，分子量一般在幾百萬。還有人將多種不同催化功能存在于一條多肽鏈中的酶稱為多功能酶(multifunctionalenzyme)或串聯(lián)酶(tandemenzyme)，由于多酶體系在進(jìn)化過程中基因的融合造成的。27單體酶、寡聚酶和多酶體系根據(jù)酶蛋白分子的特點(diǎn)將酶分為三類：2習(xí)慣命名法（1961年前）：根據(jù)底物的名稱：淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶根據(jù)反應(yīng)的性質(zhì)：轉(zhuǎn)氨酶、脫氫酶、脫羧酶以催化的性質(zhì)和底物名稱：乳酸脫氫酶以酶的來源或其他性質(zhì)：牛小腸堿性磷酸酯酶國際系統(tǒng)命名法：

谷丙轉(zhuǎn)氨酶：L-Ala：-酮戊二酸氨基轉(zhuǎn)移酶草酸氧化酶：草酸：氧氧化酶乙酰輔酶A水解酶：乙酰輔酶A：水解酶28習(xí)慣命名法（1961年前）：國際系統(tǒng)命名法：28EC(EnzymeCommision)號的第一個數(shù)字1.Oxido-reductases氧化還原酶類2.Transferases轉(zhuǎn)移酶類3.Hydrolases水解酶類4.Lyases/synthases（裂）合酶類5.Isomerases異構(gòu)酶類6.Ligase/synthetases連接(合成）酶類酶的命名法乳酸脫氫酶lactatedehydrogenase,1.1.1.271961年，國際生物化學(xué)學(xué)會酶學(xué)委員會對自然界存在的酶進(jìn)行了廣泛的研究，對每一個酶給出了一個習(xí)慣名稱和系統(tǒng)名稱。29EC(EnzymeCommision)號的第一個數(shù)字酶的氧化還原酶轉(zhuǎn)移酶水解酶裂合酶（合酶）異構(gòu)酶連接酶（合成酶）類別30氧化還原酶轉(zhuǎn)移酶水解酶裂合酶異構(gòu)酶連接酶EC1.1.1.27酶學(xué)委員會EnzymeCommision六大類酶的1-6類作用的基團(tuán)或鍵的特點(diǎn)分成的亞類亞類按順序再編成亞亞類該酶在亞亞類中的次序31EC1.1.1.27酶學(xué)委員會六大類酶的1-6類作用的基團(tuán)或酶反應(yīng)動力學(xué)

--米氏方程研究酶反應(yīng)速度規(guī)律以及各種因素對酶反應(yīng)速度影響的科學(xué)KineticsofEnzyme-catalyzedReactions32酶反應(yīng)動力學(xué)

--米氏方程研究酶反應(yīng)速度規(guī)律以及各種因素對酶底物濃度對反應(yīng)速度的影響前提：I.單底物、單產(chǎn)物反應(yīng)反應(yīng)速度取其初速度，即反應(yīng)剛剛開始，產(chǎn)物的生成量極少，逆反應(yīng)可不予考慮底物濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于酶濃度 在其他因素不變的情況下，底物濃度對反應(yīng)速度的影響呈矩形雙曲線關(guān)系（rectangularhyperbola)33底物濃度對反應(yīng)速度的影響前提：33[S]VVmax

當(dāng)?shù)孜餄舛容^低時：底物被酶飽和，反應(yīng)速度及底物濃度成正比，反應(yīng)相對于底物為一級反應(yīng)。firstorderreaction34[S]VVmax 當(dāng)?shù)孜餄舛容^低時：底物被酶飽和，反應(yīng)速度及

隨著底物濃度的增高：反應(yīng)速度不再成正比例加速，相對于底物反應(yīng)表現(xiàn)為混合級反應(yīng)。[S]VVmaxmixedorderreaction35 隨著底物濃度的增高：反應(yīng)速度不再成正比例加速，相對于底物反[S]VVmax

當(dāng)?shù)孜餄舛雀哌_(dá)一定程度：酶為底物所飽和，反應(yīng)速度不再隨底物濃度增加，達(dá)最大反應(yīng)速度，相對于底物反應(yīng)為零級反應(yīng)。zeroorderreaction36[S]VVmax 當(dāng)?shù)孜餄舛雀哌_(dá)一定程度：酶為底物所飽和，反酶催化反應(yīng)進(jìn)程曲線堿性內(nèi)切蛋白酶37酶催化反應(yīng)進(jìn)程曲線堿性內(nèi)切蛋白酶37firstorderreactionmixedorderreactionzeroorderreaction酶催化應(yīng)速度及底物濃度的關(guān)系38firstorderreactionmixedorde酶反應(yīng)過程中各組分的變化S+EESE+PS:substanceP:productE:enzyme發(fā)生在很短的時間內(nèi)pre-steadystateESformingsteadystate-ESalmostconstant39酶反應(yīng)過程中各組分的變化S+EES酶反應(yīng)的速度不停在變)底物減少量40酶反應(yīng)的速度不停在變)底物減少量40實(shí)驗(yàn)測定中，只有測定反應(yīng)初速度才有意義，且是不同底物濃度下的反應(yīng)初速度。41實(shí)驗(yàn)測定中，只有測定反應(yīng)初速度才有意義，且是不同底物濃度下的酶反應(yīng)的基本動力學(xué)

酶反應(yīng)的基本動力學(xué)關(guān)系是指酶反應(yīng)速度及酶和底物間的動力學(xué)關(guān)系。酶和底物是構(gòu)成酶反應(yīng)系統(tǒng)最基本的因素，決定著酶反應(yīng)的基本性質(zhì)、酶反應(yīng)的速度規(guī)律。 描寫這種基本動力學(xué)關(guān)系的是米氏方程（Michaelis-Mentenequation）。42酶反應(yīng)的基本動力學(xué) 酶反應(yīng)的基本動力學(xué)關(guān)系是指酶反應(yīng)速度及酶Michaelis-Menten方程的提出43Michaelis-Menten方程的提出43米氏方程的基礎(chǔ)

首先要確定反應(yīng)的機(jī)制，即反應(yīng)方式和反應(yīng)歷程。酶反應(yīng)有多種描述作用機(jī)制的學(xué)說，得到較多實(shí)驗(yàn)支持的是“活性中間絡(luò)合物學(xué)說”（intermediatecomplexhypothesis)（1903年Wurtz和VictorHenri提出），認(rèn)為酶反應(yīng)都要通過酶及底物結(jié)合形成酶-底物絡(luò)合物（中間物），再由酶催化轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物，同時釋放出酶來參加下一輪酶反應(yīng)。1913年，LeonorMichaelis和MaudMenten擴(kuò)展并提出：

E+SESE+Pk1k2k344米氏方程的基礎(chǔ)首先要確定反應(yīng)的機(jī)制，即反應(yīng)方式和反應(yīng)歷假設(shè)E+S

ES的平衡迅速建立

反應(yīng)初速度由最高速度及底物濃度決定

v=Vmaxf(S)

v=Vmax/(1+C/[S])

或

v=Michaelis-Menten方程(1913年)Vmax[S]C+[S]根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推導(dǎo)45假設(shè)E+SES的平衡迅速建立MMichaelis-Menten方程(1925年)k1k2k3k4=46Michaelis-Menten方程(1925年)k1k2k

根據(jù)穩(wěn)態(tài)假設(shè)，反應(yīng)早期的[P]可以忽略，并假設(shè)k4也可略。則V0=k3[ES]，即ES分解為產(chǎn)物的速度決定著V0，但[ES]無法實(shí)驗(yàn)測定，必須找到[ES]其他的數(shù)量表達(dá)方式。首先引入[E0]表示總的酶濃度，游離或非結(jié)合的酶=[E0]-[ES]。由于[S][E0]，因此被酶結(jié)合掉的底物濃度可永遠(yuǎn)忽略。第一步，ES的形成和分解速度決定于k1、k2及k3ES的形成速度=k1([E0]-[ES])[S]ES的分解速度=k2[ES]+k3[ES]

第二步，重要假設(shè)，V0反映了一種穩(wěn)定態(tài)，[ES]是常數(shù)，即ES的形成速度及分解速度相等—穩(wěn)態(tài)假說。則k1([E0]-[ES])[S]=k2[ES]+k3[ES]米氏方程的推導(dǎo)過程47根據(jù)穩(wěn)態(tài)假設(shè)，反應(yīng)早期的[P]可以忽略，并假設(shè)k4也可略推導(dǎo)過程【續(xù)】

第三步，對以上方程求[ES]

k1[E0][S]=(k1[S]+k2+k3)[ES][ES]=k1[E0][S]/(k1[S]+k2+k3)

令：(k2+k3)/k1=Km，即Michaelisconstant（米氏常數(shù)）

[ES]=[E0][S]/(Km+[S])

第四步，V0可以用[ES]表示，同時Vmax=k3[E0]：

V0=k3[ES]=k3[E0][S]/(Km+[S])=Vmax[S]/(Km+[S])

即為單底物-酶反應(yīng)的米氏方程或速度方程，是通過米氏常數(shù)Km定量描述V0、Vmax和[S]之間關(guān)系的方程。48推導(dǎo)過程【續(xù)】48當(dāng)V0=1/2Vmax，則Km=[S]，表明當(dāng)反應(yīng)初速度為最大反應(yīng)速度一半時，Km代表了底物濃度。在低[S]時，Km[S]V0=Vmax[S]/Km,V0∝[S]在高[S]，當(dāng)[S]Km,V0=Vmax。反應(yīng)初速度及底物濃度的依賴關(guān)系49當(dāng)V0=1/2Vmax，則Km=[S]，表明當(dāng)反應(yīng)初速度為酶的動力學(xué)參數(shù)

米氏方程描述的是大多數(shù)酶的動力學(xué)行為，表現(xiàn)為V0對[S]雙曲線依賴的酶被認(rèn)為遵循米氏動力學(xué)。所有表現(xiàn)為V0=1/2Vmax時Km=[S]的酶遵循米氏動力學(xué)（例外的主要是變構(gòu)酶）。米氏方程并不決定于他們提出的相對簡單的兩步反應(yīng)機(jī)制。多數(shù)遵循米氏動力學(xué)的酶都有十分復(fù)雜的反應(yīng)機(jī)制，可以確定有6步或8步催化反應(yīng)的酶通常表現(xiàn)出同樣的穩(wěn)定態(tài)的動力學(xué)行為。對于多數(shù)酶V0=1/2Vmax時Km=[S]是正確的，Vmax和Km的大小及真正含義因不同的酶而不同。Vmax和Km是可以通過實(shí)驗(yàn)測定的任何酶的參數(shù)，但對于反應(yīng)的數(shù)目、速度或過程不連續(xù)步驟的化學(xué)本質(zhì)，則提供不了什么信息。50酶的動力學(xué)參數(shù) 米氏方程描述的是大多數(shù)酶的動力學(xué)行為，表現(xiàn)為米氏常數(shù)Km的意義（1）Km=（k2+k3)/k1，速度常數(shù)由酶反應(yīng)性質(zhì)及反應(yīng)條件決定，對特定的酶反應(yīng)、反應(yīng)條件來說，Km是一個特征常數(shù)。（2）當(dāng)v=Vmax/2，Km=[S]，Km是反應(yīng)速度達(dá)到最大反應(yīng)速度一半時的底物濃度，Km的單位是濃度單位。（3）不同酶的Km不同，同一種酶對于不同底物的Km值有可能不同，有時用于表示酶對底物的親和力。（4）當(dāng)k3為限速時，若k3<<k2，Km=k2/k1，被稱為ES復(fù)合物的解離常數(shù)Kd，這時的Km代表了酶及底物的親和力。但這一假定對多數(shù)酶不適用，有時k3k2，這時Km=k3/k1，Km不能簡單地被用作親和力。51米氏常數(shù)Km的意義（1）Km=（k2+k3)/k1，速度常數(shù)一些酶和底物的Km52一些酶和底物的Km52米氏方程和米氏常數(shù)的意義Km值越小,底物及酶的親和力越強(qiáng),反應(yīng)越迅速。53米氏方程和米氏常數(shù)的意義Km值越小,底物及酶的親和力越強(qiáng),Km在實(shí)際應(yīng)用中的作用鑒定酶判斷酶的最適底物計算一定反應(yīng)速度下的底物濃度了解酶的底物在體內(nèi)具有的濃度水平判斷反應(yīng)方向或趨勢判斷抑制類型54Km在實(shí)際應(yīng)用中的作用鑒定酶54kcat—轉(zhuǎn)換數(shù)(TurnoverNumber)（5）不同酶的Vmax也不同，如果一個酶是兩步米氏反應(yīng)機(jī)制，Vmax=k3[E0]，k3為限速。但反應(yīng)步驟及反應(yīng)的限速過程不同，情況則更為復(fù)雜。這時使用另一個有用的更常見的速度常數(shù)kcat來描述任何一個飽和狀態(tài)酶催化反應(yīng)的限制速度。如果反應(yīng)中有幾步反應(yīng)，其中的一步是限速的，kcat就是這步限速反應(yīng)的速度常數(shù)，通常是形成產(chǎn)物的那步反應(yīng)的常數(shù)。如果幾步反應(yīng)都是部分限速，kcat則非常復(fù)雜，這時稱為轉(zhuǎn)換數(shù)（turenovernumber)，即當(dāng)酶被底物飽和時，在一定時間內(nèi)1個酶分子轉(zhuǎn)化底物分子為產(chǎn)物的數(shù)量。kcat是一級速度常數(shù)，單位是時間的倒數(shù)。55kcat—轉(zhuǎn)換數(shù)(TurnoverNumber)（5）不同幾種酶的轉(zhuǎn)換常數(shù)kcat56幾種酶的轉(zhuǎn)換常數(shù)kcat56kcat/Km(SpecificityConstant)

動力學(xué)參數(shù)kcat和Km對于研究和比較不同的酶是有用的，無論它們的作用機(jī)制是簡單還是復(fù)雜，每個酶都有反映細(xì)胞環(huán)境、通常的體內(nèi)底物濃度、催化反應(yīng)最合適的kcat和Km。

kcat和Km參數(shù)還可用于評價酶的動力學(xué)效率，但兩者單獨(dú)表示都不夠，不同酶催化不同反應(yīng)的kcat可能一樣，Km對于細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的底物濃度可能也相近。比較不同酶的催化效率或同一種酶不同底物的轉(zhuǎn)換數(shù)最好的方法是比較它們的kcat/Km，這一參數(shù)被稱為特異性常數(shù)（specificityconstant)，是E+S轉(zhuǎn)變?yōu)镋+P的速度常數(shù)。當(dāng)[S]<<Km，V0=(kcat/Km)

[E0][S]。常數(shù)的單位是二級速度常數(shù)：M-1s-1

。E和S在溶液中擴(kuò)散到一起的速率決定了kcat/Km存在一個上限，這種擴(kuò)散控制極限為108到109

M-1s-1

。許多酶都在這個范圍附近，不同的kcat和Km值可以產(chǎn)生最大的比值。57kcat/Km(SpecificityConstant)酶的kcat/Km都接近擴(kuò)散控制極限58酶的kcat/Km都接近58米氏方程轉(zhuǎn)換：雙倒數(shù)作圖

米氏方程可以轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼮橛杏玫淖鲌D實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，兩邊都采用倒數(shù)表示：這樣的米氏方程被稱為Lineweaver-Burk方程，以1/V0對1/[S]（雙倒數(shù)）作圖，產(chǎn)生一條直線。直線的斜率為Km/Vmax，縱坐標(biāo)上的截距為1/Vmax，橫坐標(biāo)上的截距為-1/Km。59米氏方程轉(zhuǎn)換：雙倒數(shù)作圖米氏方程可以轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼮橛杏玫腖ineweaver-Burkplot

(雙倒數(shù)作圖)(Double-ReciprocalPlot)實(shí)驗(yàn)測定酶動力學(xué)時，只要測定不同底物濃度下的反應(yīng)初速度，通過作圖法就可以求得特定酶的酶反應(yīng)的動力學(xué)數(shù)據(jù)。橫坐標(biāo)上截距的負(fù)倒數(shù)就是酶反應(yīng)的Km，縱坐標(biāo)上截距的倒數(shù)是酶反應(yīng)的最大反應(yīng)速度。60Lineweaver-Burkplot

(雙倒數(shù)作圖)(Eadie-HofsteeplotHanesplot[S]0/v~[S]0作圖v~v/[S]0作圖v=-Km(v/[S])+VmaxVmaxVmax/Km[S0]/v=Km/Vm+[S0]/Vm61Eadie-HofsteeplotHanesplot[SCornish-BowdenplotDixonplot62Cornish-BowdenplotDixonplot6酶濃度對反應(yīng)速度的影響當(dāng)[S]?[E]時，反應(yīng)速度及[E]變化成正比，即V=K3[E]V[E]063酶濃度對反應(yīng)速度的影響當(dāng)[S]?[E]時，反應(yīng)速度及[許多酶催化兩個或更多個底物反應(yīng)

有時候酶催化兩個或更多個不同底物反應(yīng)，如己糖激酶催化：ATP+GlcADP+G-6-P，有兩個底物和兩個產(chǎn)物，可以用米氏方程分析，腦中己糖激酶對ATP、葡萄糖及果糖的Km分別為0.4、0.05和1.5mM。雙底物反應(yīng)往往涉及一個原子或功能基團(tuán)從一個底物轉(zhuǎn)移到另一個底物，這些反應(yīng)可以有幾種不同的方式進(jìn)行，但有時兩個底物可同時及酶結(jié)合，形成非共價的三重復(fù)合物?；虻谝粋€底物結(jié)合就形成產(chǎn)物或在第二個底物結(jié)合前就解離，沒有三重復(fù)合物形成—乒乓機(jī)制或雙取代反應(yīng)機(jī)制。64許多酶催化兩個或更多個底物反應(yīng)有時候酶催化兩個或更多個不同酶催化雙底物反應(yīng)的一般機(jī)制有序機(jī)制隨機(jī)機(jī)制乒乓反應(yīng)機(jī)理(pingpongmechanism)65酶催化雙底物反應(yīng)的一般機(jī)制有序機(jī)制隨機(jī)機(jī)制乒乓反應(yīng)機(jī)理(pi前穩(wěn)態(tài)動力學(xué)能為特殊反應(yīng)步驟提供證據(jù)

穩(wěn)態(tài)動力學(xué)提供的兩個最重要的實(shí)驗(yàn)參數(shù)是kcat和kcat/Km。pH或溫度改變導(dǎo)致的這些參數(shù)的變化能提供有關(guān)反應(yīng)過程的另外信息。在雙底物反應(yīng)中，穩(wěn)態(tài)動力學(xué)能幫助決定反應(yīng)中是否形成了三復(fù)合物。66前穩(wěn)態(tài)動力學(xué)能為特殊反應(yīng)步驟提供證據(jù) 穩(wěn)態(tài)動力學(xué)提供的兩個最雙底物反應(yīng)的穩(wěn)態(tài)動力學(xué)分析[S2]一定時，[S1]及[v]的動力學(xué)關(guān)系。不同[S2]產(chǎn)生幾條獨(dú)立曲線，交叉線表示反應(yīng)中有三合物形成。平行線表示為乒乓反應(yīng)機(jī)制或雙取代反應(yīng)機(jī)制。67雙底物反應(yīng)的穩(wěn)態(tài)動力學(xué)分析[S2]一定時，[S1]及[v]抑制劑對酶的抑制作用

及其動力學(xué)68抑制劑對酶的抑制作用

及其動力學(xué)68酶是受到抑制的

酶抑制劑是干擾酶催化反應(yīng)、減緩或中斷酶反應(yīng)的物質(zhì)。酶實(shí)際上催化所有的細(xì)胞過程，因此酶的抑制劑是已知的許多重要的藥物，如阿司匹林（乙酰水楊酸）抑制前列腺素合成第一步催化反應(yīng)的酶（Cox）。酶抑制劑的研究能為酶反應(yīng)機(jī)制提供有用信息，能幫助研究一些代謝途徑。有兩大類酶抑制劑：可逆抑制劑不可逆抑制劑69酶是受到抑制的酶抑制劑是干擾酶催化反應(yīng)、減緩或中斷酶反應(yīng)的1.競爭性抑制(Competitiveinhibition):E+SESE+P+IKiEI2.反競爭性抑制(Uncompetitiveinhibition):E+SESE+P+IKiESI

酶反應(yīng)三種不同的可逆抑制Ki=[E]*[I]/[EI],Eo=E+EI+ESEo=E+ESI+ES701.競爭性抑制(Competitiveinhibitio3.非競爭抑制(Noncompetitiveinhibition):E+SESE+P+IKi

+IKiEI

ESI+S作業(yè)：推導(dǎo)三種抑制下的米氏方程713.非競爭抑制(Noncompetitiveinhibi

在可逆抑制劑存在條件下，酶反應(yīng)系統(tǒng)中可能進(jìn)行以下反應(yīng)：

E+SESE+PE+IEIEI+SEISEI+PES+IESIEI+P

簡單情況下，=0，此時總的反應(yīng)速度仍取決于k0和[ES]，vi=k0[ES]。Ksk0KiK’sK’0Ki’K’0K’072 在可逆抑制劑存在條件下，酶反應(yīng)系統(tǒng)中可能進(jìn)行以下反應(yīng)：Ks由于抑制劑的存在，[ES]受多種因素的影響，代數(shù)法或圖像法可解出這個[ES]，總的動力學(xué)方程為：根據(jù)可逆抑制劑、底物和酶三者的關(guān)系，可逆抑制被分為三種類型：（完全型）競爭性抑制（fullycompetitiveinhibition）、（完全型）非競爭性抑制（fullynoncompetitiveinhibition）和反競爭抑制（uncompetitiveinhibition）。Vv=1+Ks[S]+Ks[I][S]Ki+[I]Ki’73由于抑制劑的存在，[ES]受多種因素的影響，代數(shù)法或圖像法可競爭性抑制（CompetitiveInhibition)

競爭性抑制劑競爭結(jié)合底物及酶的活性位點(diǎn)，抑制劑占據(jù)酶的活性位點(diǎn)，阻止底物及酶的結(jié)合。競爭性抑制劑通常是底物的類似物，與酶結(jié)合形成EI復(fù)合物，但不引起催化作用。即使這種結(jié)合是短暫的，也會影響酶的催化效率?？梢杂妹傅姆€(wěn)態(tài)動力學(xué)定量分析，這時的米氏方程為：

V0=Vmax[S]/(Km+[S])

而=1+[I]/KIKI=[E][I]/[EI]74競爭性抑制（CompetitiveInhibition)酶不能同時及底物、抑制劑結(jié)合，即不能形成EIS，或者說Ki’或Ks’=∞75酶不能同時及底物、抑制劑結(jié)合，即不能形成EIS，或者說Ki’競爭性抑制的動力學(xué)

競爭性抑制米氏方程中，實(shí)驗(yàn)測定的術(shù)語Km是有抑制劑存在下的米氏常數(shù)，常被稱為表觀米氏常數(shù)（apparentKm）。由于抑制劑及酶可逆結(jié)合，這種競爭可以通過大量提高底物濃度來逆轉(zhuǎn)，當(dāng)[S][I]，抑制劑濃度可忽略，V0接近Vmax；但是，V0=1/2Vmax時的[S]，表觀Km因抑制劑存在的而增加，但對Vmax的影響可以忽略。雙倒數(shù)作圖顯示，競爭性抑制的Vmax不變，Km值變大，增加了（1+[I]/Ki）倍。76競爭性抑制的動力學(xué)競爭性抑制米氏方程中，實(shí)驗(yàn)測定的術(shù)語競爭性抑制作用的雙倒數(shù)作圖，不同抑制劑濃度在1/V0軸上的截距相同，即Vmax不變，但斜率不同，隨著抑制劑濃度的增加，曲線在1/[S]軸上的負(fù)截距減小，表明Km值變大。77競爭性抑制作用的雙倒數(shù)作圖，不同抑制劑濃度在1/V0軸上的截78785-氟尿嘧啶(5-FU)，在體內(nèi)的代謝產(chǎn)物抑制胸苷酸合成酶。6-巰基嘌呤(6-MP)，抑制嘌呤核苷酸的合成。保持血液中藥物的濃度，以達(dá)到竟?fàn)幮砸志男Ч?。競爭性抑制的?biāo)志：抑制作用可以在底物濃度足夠高時得到克服。795-氟尿嘧啶(5-FU)，在體內(nèi)的代謝產(chǎn)物抑制胸苷酸合成酶。反競爭性抑制

(UncompetitiveInhibition)

反競爭性抑制劑及酶結(jié)合的位點(diǎn)不是底物的活性位點(diǎn)，及競爭性抑制劑不同，反競爭性抑制劑只與ES復(fù)合物結(jié)合。這時的米氏方程改變?yōu)椋?/p>

V0=Vmax[S]/(Km+’[S])

而’=1+[I]/KI’KI’=[ES][I]/[ESI]

高[S]時，V0接近Vmax/’，抑制劑降低測定的Vmax，表觀Km也降低，因?yàn)檫_(dá)到最大Vmax一半時所需要的[S]被’因子降低了。80反競爭性抑制

(UncompetitiveInhibiti8181反競爭性抑制作用的雙倒數(shù)作圖，隨著抑制劑濃度的增加，曲線在縱軸上的截距增加，Vmax減??；橫軸上截距的負(fù)值增加，Km值降低。82反競爭性抑制作用的雙倒數(shù)作圖，隨著抑制劑濃度的增加，曲線在縱混合性抑制作用

(MixedInhibition)

混合性抑制劑結(jié)合位點(diǎn)也及底物的活性位點(diǎn)不同，但既可以及E也可以與ES復(fù)合物結(jié)合。相應(yīng)的米氏方程為：

V0=Vmax[S]/(Km+’[S])和’同前述，混合性抑制劑通常影響Km和Vmax。特殊情況下，=’（極少發(fā)生），被傳統(tǒng)稱為非競爭性抑制作用。非競爭抑制劑使Vmax降低，而Km值不變。83混合性抑制作用

(MixedInhibition)混合混合性抑制作用的雙倒數(shù)作圖，隨著抑制劑濃度的增加，Vmax減小，Km也減小。84混合性抑制作用的雙倒數(shù)作圖，隨著抑制劑濃度的增加，Vmax減不同類型抑制作用的米氏方程85不同類型抑制作用的米氏方程85競爭性抑制反競爭性抑制非競爭性抑制86競爭性抑制反競爭性抑制非競爭性抑制86不可逆抑制作用抑制劑及酶活性中心上的必需基團(tuán)以牢固的共價鍵結(jié)合，從而使酶活性喪失，不能用透析，超濾等辦法除去抑制劑而使酶復(fù)活，只能通過其他化學(xué)方法復(fù)活(reactivation)或逆轉(zhuǎn)(reversal)。動力學(xué)特征是抑制程度比例于共價鍵形成的速度，并隨抑制劑及酶的接觸時間而逐漸增大。87不可逆抑制作用抑制劑及酶活性中心上的必需基團(tuán)以牢固的共價鍵結(jié)幾種類型的不可逆抑制劑

不可逆抑制劑在酶的作用機(jī)制和化學(xué)治療等方面起著重要作用，大體分為兩類：專一性地及特定（氨基酸側(cè)鏈）基團(tuán)作用；修飾酶的特定位點(diǎn)。第一類中包括：（1）及金屬形成絡(luò)合物，“毒害”以金屬離子為活性中心的“金屬酶”，如氰化物、硫化物、疊氮化物和CO等。88幾種類型的不可逆抑制劑 不可逆抑制劑在酶的作用機(jī)制和化學(xué)治療（2）作用以巰基為活性中心的“巰基酶”，共有三類：

A.巰基烷化劑，如鹵乙酸及其衍生物（碘乙酰胺）

B.成硫醇鹽試劑，包括有機(jī)汞化合物及砷化物，能可逆地及SH反應(yīng)生成硫醇鹽。過量的巰基化合物或二巰基化合物能使抑制可逆。對氯汞苯甲酸（PCMB）和對羥汞苯甲酸（PHMB）常被用于檢定巰基是否屬于酶的必需基團(tuán)。

C.巰基氧化劑，不專一，GSSG、I2等。89（2）作用以巰基為活性中心的“巰基酶”，共有三類：89（3）重金屬毒物，Hg、Pb、Ag、Cu等，高濃度時是蛋白質(zhì)的沉淀劑，但某些酶在低濃度條件下對它們也敏感，機(jī)理還不清楚，如低濃度的銀鹽就能抑制-果糖苷酶。金屬螯合劑可以逆轉(zhuǎn)重金屬抑制劑。90（3）重金屬毒物，Hg、Pb、Ag、Cu等，高濃度時是蛋白質(zhì)有機(jī)汞、有機(jī)砷化合物-巰基酶

這類化合物及巰基結(jié)合，抑制含巰基的酶。抑制作用可被加入過量的巰基化合物如Cys或GSH而解除。 這類化合物還可及雙硫基化合物作用生成環(huán)狀硫醇化合物。三價的有機(jī)砷化物可與輔酶硫辛酸作用，破壞輔酶硫辛酸，抑制丙酮酸脫氫酶系統(tǒng)。路易斯毒氣（CHCl=CHAsCl2)的毒理作用也如此，能抑制幾乎所有的巰基酶。砷化物的毒性不能被單巰基化合物解除，但可被過量的雙巰基化合物解除，如二硫基丙醇。91有機(jī)汞、有機(jī)砷化合物-巰基酶 這類化合物及巰基結(jié)合，抑制含巰砷化物中的路易斯氣(Lewisite）是強(qiáng)力毒氣，對應(yīng)的解毒藥物是二硫丙醇，被稱為英國抗路易斯（BritishAnti-Lewisite,BAL）。

SHSE+Hg2+EHg+2H+

SHS

SHClSE+As-CH=CHClEAs-CH=CHCl+2HCl

SHClS巰基酶路易士毒氣巰基酶的抑制92砷化物中的路易斯氣(Lewisite）是強(qiáng)力毒氣，對應(yīng)的解毒

SEHg+

SCOONaCHSHCHSHCOONa

SHE+Hg

SHCOONaCHS

CHSCOONa二巰基丁二酸鈉

SCH2OHSHCH2OHEAs-CH=CHCl+CHSHE+CHS

SCH2SH

SHCH2SAs-CH=CHCl二巰基丙醇解毒方法：93SCOONaSHCOONa二巰基丁二酸鈉有機(jī)磷化合物-羥基酶

及酶活性直接相關(guān)的Ser-OH牢固結(jié)合，抑制某些蛋白酶或酯酶。這類化合物強(qiáng)烈抑制及中樞神經(jīng)系統(tǒng)有關(guān)的膽堿酯酶，乙酰膽堿不能分解為乙酸和膽堿，積累引起神經(jīng)中毒—神經(jīng)毒劑。二戰(zhàn)使用的毒氣DFP（及DIFP：二異丙基磷酰氟，diisopropylfluorophosphate），以及一些有機(jī)磷殺蟲劑（1605、敵百蟲等）都屬于此類化合物。94有機(jī)磷化合物-羥基酶 及酶活性直接相關(guān)的Ser-OH牢固結(jié)合9595ROOROOROXROO—E有機(jī)磷化合物羥基酶磷酰化酶(失活)酸ROOROO—E磷?；?失活)CH3CH3OOROOR+E—OH

羥基酶的抑制羥基酶:以絲氨酸側(cè)鏈上的羥基為必需基團(tuán)的酶有機(jī)磷(敵百蟲、敵敵畏、對硫磷)不可逆抑制羥基酶的活性中心解磷定P+E—OHP+HXP+-CHNOHN+-CHNN+P96ROO不可逆抑制作用是酶研究

和藥學(xué)研究的重要工具

不可逆抑制劑結(jié)合或破壞一個酶的功能基團(tuán)-酶的活性是必須的，或者是形成特別穩(wěn)定的非共價結(jié)合。不可逆抑制劑及酶共價結(jié)合的信息是常見的。不可逆抑制劑是研究反應(yīng)機(jī)制的另一個有用的工具。酶活性位點(diǎn)有關(guān)鍵催化功能的氨基酸有時被用于鑒別哪一個氨基酸在酶鈍化后是被抑制劑共價結(jié)合的。一類特殊的不可逆抑制劑是自殺抑制劑，有時是機(jī)理性抑制劑，由于它們利用酶反應(yīng)機(jī)理來抑制酶，自殺抑制劑在理性藥物設(shè)計及藥物確定上起這中心作用。一個精密設(shè)計的自殺抑制劑對于一個特定的酶是特異性的，在及酶活性位點(diǎn)作用前是沒有反應(yīng)性的，可以大大減少酶抑制劑藥物的副作用。97不可逆抑制作用是酶研究

和藥學(xué)研究的重要工具不可逆抑制劑結(jié)

不可逆抑制作用，胰凝乳蛋白酶及二異丙基氟磷酸（DIFP）反應(yīng)，不可逆地抑制酶的活性，結(jié)論為Ser195是胰凝乳蛋白酶中關(guān)鍵的活性絲氨酸殘基。98 不可逆抑制作用，胰凝乳蛋白酶及二異丙基氟磷酸（DIFP）反激活劑對酶促反應(yīng)速度的影響1、激活劑:凡能使酶由無活性變?yōu)橛谢钚曰蚴姑富钚栽黾拥奈镔|(zhì)。如：金屬離子：Mg2+、

K+、Mn2+陰離子：Cl-

有機(jī)物：膽汁酸鹽2、分類：必需激活劑Mg2+對己糖激酶非必需激活劑Cl-

對淀粉酶99激活劑對酶促反應(yīng)速度的影響1、激活劑:凡能使酶由無活性變?yōu)榄h(huán)境因素對酶

催化作用的影響100環(huán)境因素對酶

催化作用的影響100pH對酶活性的影響

酶有最適pH（optimumpH）（或合適pH范圍），這時的酶活性最高。更低或更高pH，酶活下降。因?yàn)榛钚圆课坏陌被岬膫?cè)鏈可以以弱酸或弱堿為關(guān)鍵功能，這依賴于它們維持一定狀態(tài)的離子化，離子化的側(cè)鏈對于維持蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)有重要作用。酶的最適pH有時因酶的種類、濃度、緩沖液組分而不同。 過酸或過堿會影響酶的構(gòu)象，甚至使酶變性或失活；pH會影響酶分子及底物分子的解離狀態(tài)；pH影響酶分子中另一些基團(tuán)的解離，它們的離子化狀態(tài)及酶的專一性及活性中心有關(guān)。101pH對酶活性的影響 酶有最適pH（optimumpH）（或酶的pH-活性圖，由于pH是[H+]對數(shù)，反映的是十倍關(guān)系，因此測定的反應(yīng)初速度也用對數(shù)表示。酶的最適pH及酶存在的天然環(huán)境一致。如胃液pH為1-2、肝細(xì)胞質(zhì)的pH一般為7.2。102酶的pH-活性圖，由于pH是[H+]對數(shù)，反映的是十倍關(guān)系，103103溫度對酶反應(yīng)速度的影響

溫度對酶促反應(yīng)的影響也存在一個最適溫度(optimumtemperature)，呈鐘形曲線。溫血動物酶的最適溫度一般為35-40℃，植物的稍高，在40-50℃之間，部分細(xì)菌分離的某些酶（如TaqDNA聚合酶）可達(dá)70℃以上。 最適溫度前，提高溫度可增加酶促反應(yīng)的速度，一般提高10度，反應(yīng)速度增加1-2倍。 溫度升高，反應(yīng)速度加快，及一般化學(xué)反應(yīng)一致；溫度繼續(xù)增高使酶變性，有活性的酶減少，酶活下降。104溫度對酶反應(yīng)速度的影響 溫度對酶促反應(yīng)的影響也存在一個最適溫溫度對酶催化作用的影響105溫度對酶催化作用的影響105酶催化反應(yīng)的一般機(jī)制106酶催化反應(yīng)的一般機(jī)制106酶的活性中心(ActiveCenter)酶的必需基團(tuán)(essentialgroup):

-及酶活性有關(guān)的基團(tuán)酶的活性中心(activecenter):

酶的特殊催化能力只局限在其大分子的一定區(qū)域，最初將酶分子中及底物接觸的或非常接近底物的部分稱為酶的活性部位，而直接與酶催化有關(guān)的部位稱為活性中心?，F(xiàn)在認(rèn)為：酶分子上由必需基團(tuán)構(gòu)成的與酶催化活性有關(guān)的特定區(qū)域-活性中心。107酶的活性中心(ActiveCenter)酶的必需基團(tuán)(esS-S活性中心外必需基團(tuán)結(jié)合基團(tuán)催化基團(tuán)活性中心必需基團(tuán)底物

肽鏈活性中心酶活性中心示意圖108S-S活性中心外結(jié)合基團(tuán)活性中心必需基團(tuán)底物肽鏈活性中心多肽鏈底物分子酶活性中心催化基團(tuán)結(jié)合基團(tuán)活性中心必需基團(tuán)活性中心以外必需基團(tuán)109多肽鏈底物分子酶活性中心催化基團(tuán)結(jié)合基團(tuán)活性中心必需基團(tuán)酶活性中心的確定

酶的專一性研究，通過研究酶的專一性底物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，判斷和確定活性中心的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，來判斷和確定活性中心的結(jié)構(gòu)。也可通過酶的競爭性抑制劑的必需結(jié)構(gòu)等來研究。酶分子側(cè)鏈基團(tuán)的化學(xué)修飾法是尋找酶活性中心的另一個有效辦法，如-SH、-OH、-NH2

、-COOH、咪唑基等。常用的有DFP(DIFP)及TPCK(N-對甲苯磺酰苯丙氨酰氯甲基酮）（使His烷基化）、烷化劑、對-氯汞苯甲酸。

X-射線晶體衍射法，可提供許多直接和確切的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。110酶活性中心的確定酶的專一性研究，通過研究酶的專一性底一些酶活性中心的氨基酸殘基

酶殘基總數(shù)活性中心殘基牛胰核糖核酸酶124His12,His119,Lys41溶菌酶129Asp52,Glu35牛胰凝乳蛋白酶245His57,Asp102,Ser195牛胰蛋白酶238His46,Asp90,Ser183木瓜蛋白酶212Cys25,His159

彈性蛋白酶240His45,Asp93,Ser188枯草桿菌蛋白酶275His46,Ser221碳酸酐酶258His93-Zn-His95His117

111一些酶活性中心的氨基酸殘基酶底物及酶的“靠近”及“定向”

(ProximityandOrientation)

因反應(yīng)速度及反應(yīng)物的濃度成正比，如反應(yīng)局部的底物濃度增高，反應(yīng)速度也隨之增加。使底物分子進(jìn)入酶活性中心區(qū)域，可大大提高活性中心區(qū)域底物的有效濃度，實(shí)驗(yàn)表明活性中心的底物濃度可以達(dá)到底物濃度的十萬倍?！翱拷毙?yīng)可明顯提高反應(yīng)速度，在最靠近的情況下速度可增加幾萬倍。僅僅靠近還不夠。反應(yīng)的基團(tuán)在反應(yīng)中彼此嚴(yán)格地“定向”，反應(yīng)物才被有效利用，迅速形成過渡態(tài)。靠近和定向可使反應(yīng)速度增加108倍。112底物及酶的“靠近”及“定向”

(Proximityand酶AB趨近效應(yīng)及定向作用113酶AB趨近效應(yīng)及定向作用113酶使底物分子的敏感鍵“變形”

及專一性底物相遇時，酶構(gòu)象發(fā)生變化以利于催化作用發(fā)生。酶受底物作用發(fā)生構(gòu)象變化的同時，底物分子受酶的作用也發(fā)生構(gòu)象變化。酶分子的某些基團(tuán)或離子可使底物分子敏感鍵內(nèi)的某些電子云密度發(fā)生變化，產(chǎn)生“電子張力”，使敏感鍵的一端更加敏感，易于發(fā)生反應(yīng)。有時使底物分子發(fā)生變形，使ES復(fù)合物易于形成。酶及底物分子發(fā)生變形形成一個互相楔合的酶-底物復(fù)合物，反應(yīng)易于發(fā)生。114酶使底物分子的敏感鍵“變形” 及專一性底物相遇時，酶構(gòu)象發(fā)生早期，F(xiàn)ischer曾用“模板”(template)或“鎖及鑰匙學(xué)說”(lockandkeytheory)來解釋酶作用的專一性。認(rèn)為整個酶分子的天然構(gòu)象是具有剛性結(jié)構(gòu)的，酶表面具有特定的形狀。酶及底物的結(jié)合如同一把鑰匙對一把鎖一樣。115早期，F(xiàn)ischer曾用“模板”(template)或“鎖誘導(dǎo)契合學(xué)說酶表面并沒有一種及底物互補(bǔ)的固定形狀，而只是由于底物的誘導(dǎo)才形成了互補(bǔ)形狀。（Koshland，1958）：當(dāng)?shù)孜锖兔附佑|時，可誘導(dǎo)酶分子的構(gòu)象變化，使酶活性中心的各種基團(tuán)處于和底物互補(bǔ)契合的正確空間位置，有利于催化。116誘導(dǎo)契合學(xué)說酶表面并沒有一種及底物互補(bǔ)的固定形狀，而只是由于SEE-S復(fù)合物abcabc誘導(dǎo)楔合假說Induced-fitHypothesisES117SEE-S復(fù)合物abcabc誘導(dǎo)楔合假說ES117“三點(diǎn)結(jié)合”的催化理論酶及底物的結(jié)合處至少有三個點(diǎn)，而且只有一種情況是完全結(jié)合的形式。只有這種情況下，不對稱催化作用才能實(shí)現(xiàn)，又稱三點(diǎn)附著學(xué)說。118“三點(diǎn)結(jié)合”的催化理論酶及底物的結(jié)合處至少有三個點(diǎn)，而且只有119119+-+-穩(wěn)定的底物通過電荷等相互作用，底物張力變形激活形成過渡態(tài)

張力效應(yīng)（Strain）

-

-++120+-+-穩(wěn)定的底物通過電荷等相互作用，底物張力變形激活形一般酸堿催化

帶電的中間產(chǎn)物常由于質(zhì)子轉(zhuǎn)移到底物或中間產(chǎn)物，或由它們轉(zhuǎn)出質(zhì)子而穩(wěn)定，導(dǎo)致物質(zhì)分解為產(chǎn)物的速度比分解為反應(yīng)物的速度快。酶促反應(yīng)中質(zhì)子轉(zhuǎn)移可使用水中的H+(H2O）或OH-，被看成是特異性酸堿催化。如質(zhì)子在中間物及水間的轉(zhuǎn)移速度快于中間物分解，中間物是穩(wěn)定的。但多數(shù)情況下水是不夠的。一般酸堿催化是指質(zhì)子轉(zhuǎn)移由其他分子介導(dǎo)，非酶反應(yīng)中只有當(dāng)不穩(wěn)定的中間物分解為反應(yīng)物的速度快于質(zhì)子由水的轉(zhuǎn)移。一系列弱的有機(jī)酸可以補(bǔ)充質(zhì)子，弱的有機(jī)堿也可作為質(zhì)子受體。121一般酸堿催化帶電的中間產(chǎn)物常由于質(zhì)子轉(zhuǎn)移到底物或中間產(chǎn)物122122一般酸堿催化中的氨基酸酶的活性部位，一些氨基酸的側(cè)鏈可作為質(zhì)子供體或質(zhì)子受體，它們可精確定位在活性部位，允許質(zhì)子轉(zhuǎn)移提高反應(yīng)量級到102到105。這在多數(shù)酶中發(fā)生。123一般酸堿催化中的氨基酸酶的活性部位，一些氨基酸的側(cè)鏈可作為質(zhì)共價催化

這種類型的催化反應(yīng)中，短暫的共價結(jié)合在底物及酶之間發(fā)生：A-B(+H2O)A+B，A和B之間的鍵水解。在共價催化劑（酶和一個親核基團(tuán)X：）存在時，反應(yīng)為：A-B+X:A-X+BA+X:+B。只改變反應(yīng)的步驟，引起的催化反應(yīng)只能發(fā)生在新反應(yīng)步驟有更低的活化能，新步驟的反應(yīng)應(yīng)該比非催化反應(yīng)的快。一些氨基酸側(cè)鏈及一些酶輔助因子的功能基團(tuán)可以在及底物共價鍵形成中作為親核試劑作用。這些共價復(fù)合物通常要進(jìn)行進(jìn)一步反應(yīng)而釋放出游離酶。124共價催化這種類型的催化反應(yīng)中，短暫的共價結(jié)合在底物及酶之間共價催化和一般酸堿催化125共價催化和一般酸堿催化125其他一些酶簡介126其他一些酶簡介126核酶(Ribozyme)（一）核酶：具有催化活性的RNA(1)1982年，Cech首先發(fā)現(xiàn)四膜蟲L19RNA既有RNA酶活性，又有RNA聚合酶活性。隨后的研究表明：L19RNA具備酶促催化的幾個特征：

高度的底物專一性

遵循Michaelis-Menten動力學(xué)，對競爭性抑制劑的敏感性。127核酶(Ribozyme)（一）核酶：具有催化活性的RNA12(2)1992年，Piccirilli等發(fā)現(xiàn)L19RNA具有氨酰酯酶的活性，催化氨酰酯水解。(3)L19RNA還有限制性內(nèi)切酶作用：

-CpUpCpUpN-+G-CpUpCpU+GpN128(2)1992年，Piccirilli等發(fā)現(xiàn)L19RNA(4)1997年，Zhang和Cech用人造的RNA分子催化合成了肽鏈，表明RNA具有肽基轉(zhuǎn)移酶活性。(5)原核生物RNaseP和兔肌1，4--葡聚糖分枝酶均包括RNA+蛋白質(zhì)組分，起催化作用的都是RNA。129(4)1997年，Zhang和Cech用人造的RNA分子（二）核酶的種類剪切型（trimming）：催化分子間或分子內(nèi)的RNA加工成熟-轉(zhuǎn)錄后加工方式之一剪接型（splicing）：分I型和II型，I型如四膜蟲28SrRNA前體中的IVS-70個核苷酸組成的核心結(jié)構(gòu)，催化需要鳥苷參及；II型包括參及核mRNA前體加工的RNA，不需要鳥苷參與。130（二）核酶的種類130核酶的典型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：三個螺旋13個保守堿基剪切點(diǎn)：GUN131核酶的典型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：三個螺旋131抗體酶

(Abzymes)

有催化活性的一類具有特殊生物學(xué)功能的蛋白質(zhì)，由抗原分子誘發(fā)生成，及抗原分子有結(jié)合專一性。酶及底物的結(jié)合也是專一性的。人們模擬酶與底物過渡態(tài)的結(jié)構(gòu)合成一些類似物--半抗原，對動物進(jìn)行免疫，檢測是否產(chǎn)生一些有催化活性的抗體?？梢灾苽涑鲆恍┨囟ǖ目贵w，如能夠切割病毒或腫瘤的、有催化活性的抗體，催化某些天然酶所不可催化的反應(yīng)，制造有重要意義的新酶。132抗體酶(Abzymes)有催化活性的一類具有特殊生物學(xué)是具有催化作用的抗體本質(zhì)是免疫球蛋白

—在易變區(qū)被賦予酶的屬性，又被稱為催化性抗體?；鶓B(tài)底物過渡態(tài)底物133是具有催化作用的抗體基態(tài)底物133同工酶（Isoenzyme）

催化同一種化學(xué)反應(yīng)，但酶蛋白本身的分子結(jié)構(gòu)有所不同的一組酶。同工酶存在于生物的同一種屬或同一個個體的不同組織中，甚至同一組織或同一細(xì)胞中。這類酶由兩個或兩個以上的亞基組成。乳酸脫氫酶（LDH）有5種同工酶。 同工酶普遍存在于各類生物中，對個體發(fā)育、細(xì)胞分化、形態(tài)遺傳、代謝調(diào)節(jié)有重要作用。同工酶分析在農(nóng)業(yè)上已被用于優(yōu)勢雜交組合的預(yù)測，臨床上也已用同工酶作為診斷指標(biāo)。134同工酶（Isoenzyme） 催化同一種化學(xué)反應(yīng)，但酶蛋白本乳酸脫氫酶（LDH）同工酶:

LDH1LDH2LDH3LDH4LDH5(H4)(H3M)(H2M2)(HM3)(M4)M

H乳酸脫氫酶（LDH）135乳酸脫氫酶（LDH）同工酶:LDH1人體心、肝和骨骼肌LDH同工酶譜組織器官

LDH1